Optiske brytere: hva de er og hvordan de fungerer

 

I telekommunikasjon, datasentre og i økende grad innen kvanteberegningsforskning representerer optiske brytere både en moden teknologi med flere tiår med distribusjonshistorie og en aktiv grense der forskere fortsatt jakter på ytelsesforbedringer som virket umulige for fem år siden.

Gapet mellom "konseptuelt grei" og "faktisk bygge en" er der ting blir dyre og interessante.

 

Hvorfor bry seg med lys?

 

Saken for optisk veksling kommer ned til en enkelt, frustrerende flaskehals: O-E-O-konverteringen. Hver gang et optisk signal treffer en konvensjonell elektronisk bryter, må det konverteres til et elektrisk signal, behandles og deretter konverteres tilbake til fotoner for neste fibersegment. Dette er ikke bare ineffektivt-det begynner å bli uholdbart.

Moderne datasentertrafikk har en ekkel vane med å doble seg med noen års mellomrom. Elektroniske brytere treffer en vegg. Strømforbruket skalerer dårlig. SerDes (serializer/deserializer)-kretser genererer varme som krever aggressiv kjøling. Og det er latensen-hver O-E-O-hop legger til behandlingsforsinkelse som akkumuleres over en fler-nettverksarkitektur.

En optisk bryter omgår alt dette. Lys går inn, lys blir omdirigert, lys går ut. Ingen konvertering. Ingen pakkeinspeksjon. Ingen bufring. Hastigheten-av-lysforsinkelsen er i hovedsak forplantningsforsinkelsen gjennom selve bryterstoffet, som for de fleste praktiske formål like gjerne kan være null.

Høres perfekt ut. Så hvorfor er ikke alt optisk?

 

The Switching Zoo

 

Her blir det komplisert. Det er ingen enkelt "optisk bryter"-teknologi. Det er en hel taksonomi av tilnærminger, hver med forskjellige avveininger-som gir mening for forskjellige applikasjoner. De viktigste kategoriene:

 

Mekaniske bryterefysisk flytte optiske elementer-speil, prismer, fiberender-for å omdirigere lys. Råolje? Kanskje. Men de har vært utplassert i flere tiår, og de fungerer. Polatis (nå en del av Huber+Suhner) har bygget en virksomhet på 3D-strålestyrebrytere- ved bruk av piezoelektriske aktuatorer. Disse tingene er trege etter datasenterstandarder-byttetider målt i millisekunder,{10}men de er pålitelige. Jeg har hørt historier om akkumulert aktuatorlevetid som overstiger en milliard timer på tvers av felt{12}}distribuerte enheter uten feil. Det er ikke en skrivefeil.

MEMS-brytere(mikro-elektro-mekaniske systemer) tar det mekaniske konseptet og krymper det dramatisk. Små speil produsert på silisium- eller glassunderlag ved bruk av fotolitografi kan vippe for å omdirigere stråler. Byttehastighetene forbedres til mikrosekunder. Portteller kan nå opp i hundrevis. Men MEMS-fabrikasjon er kresen, og enhetene forblir følsomme for støt og vibrasjoner på måter som gjør utplassering utenfor kontrollerte miljøer vanskelig.

Termo-optiske brytereutnytte temperaturavhengigheten til brytningsindeksen i silisiumbølgeledere. Varm opp en del av bølgelederen med en tynn-filmmotstand, endre brytningsindeksen, forskyv faseforholdet i et Mach-Zehnder-interferometer, omdiriger utgangen. Silisium har en sterk termo-optisk koeffisient-omtrent 1,8×10⁻⁴ K⁻¹-som gjør denne tilnærmingen praktisk. Byttetider lander i mikrosekunder-til-millisekunder. Strømforbruket er fangsten: disse varmeovnene trenger kontinuerlig strøm for å opprettholde tilstanden.

Elektro-optiske bryterekan teoretisk bytte på nanosekunder. Silisium har ikke nyttige lineære elektro-optiske effekter, så du bruker enten bærerinjeksjon (som øker tap) eller ser på eksotiske materialer som litiumniobat. LiNbO₃-modulatorer har eksistert siden før jeg ble født-Pockels-celler, Mach-Zehnder-modulatorer, hele katalogen. Tynn-filmlitiumniobat på isolatoren har et øyeblikk akkurat nå, med halv-bølgespenninger som faller og integrasjonstettheten forbedres. Men CMOS-kompatibilitet forblir unnvikende.

 

Og så er det de mer eksotiske tilnærmingene: flytende krystall, akusto-optiske, optiske halvlederforsterkere som porter, fotoniske krystaller. Hver har nisjeapplikasjoner. Ingen har blitt den universelle løsningen.

 

 

MEMS: Teknologien som nesten fortsetter å komme

 

Silisiumfotoniske MEMS fortjener sin egen diskusjon fordi det representerer det som kan være den mest lovende veien mot stor-skala optisk svitsjing, og også en av de mest frustrerende.

Tonehøyden er overbevisende: lag optiske brytere ved å bruke de samme CMOS-kompatible prosessene som genererer milliarder av transistorer. Utnytt eksisterende støperiinfrastruktur. Oppnå kostnadsreduksjonene som følger med halvlederproduksjonsskala.

UC Berkeley-forskere demonstrerte for noen år tilbake at du kunne bygge fotoniske MEMS-svitsjer på standard 200 mm SOI-skiver ved å bruke vanlige fotolitografiske og tørre-etseprosesser i kommersielle støperier. Ingen eksotiske fabrikasjonstrinn. Bryterne fungerte: 7,7 dB fiber-til-fibertap, 30 nm optisk båndbredde rundt 1550 nm, 50 mikrosekunders byttetider.

De tekniske resultatene var solide. Det som fortsatt er utfordrende er alt annet.

MEMS-aktuatorer trenger relativt høye drivspenninger-ti titalls volt-noe som kompliserer kontrollelektronikken. De mekaniske strukturene må frigjøres fra det underliggende oksidlaget ved hjelp av HF-dampetsing, noe som tilfører prosesskompleksitet. Emballasje blir smertefullt når du har å gjøre med hundrevis av optiske porter som trenger presisjonsjustering til fibermatriser. Og så er det kontrollplanet: hvordan koordinerer du veksling over en 64×64-matrise uten å skape planleggingsflaskehalser?

En gruppe publiserte nylig arbeid om delte bølgelederkryssninger-hovedsakelig MEMS-aktiverte koblere der bryteren fungerer ved å fysisk separere eller sammenføye to halvdeler av en bølgelederkryss. De demonstrerte en 64×64 Benes-svitsj-array med bemerkelsesverdig lav krysstale og kjørte den gjennom en milliard svitsjesykluser uten ytelsesforringelse. Imponerende. Fortsatt ikke i produksjon.

 

Crosstalk-problemet ingen vil snakke om

 

Her er noe som har en tendens til å bli skjult i markedsføringsmateriellet: krysstale akkumuleres.

I en liten bryter-2×2 kan 4×4-krysstale være -30dB eller bedre. Akseptabel. Men storskala bryterstoffer fosser mange elementære bryterelementer. Et 64×64-stoff kan ha lys som krysser dusinvis av individuelle brytere og bølgelederkryssninger. Hver av dem bidrar med litt strølys til feil utgangsport.

Det verste-scenarioet er ikke at ett aggressorsignal lekker inn i offerkanalen din. Det er N-1 aggressorer som alle bidrar med sammenhengende eller usammenhengende krysstale samtidig. Å teste for dette er et mareritt-du må lyse opp alle inngangsportene unntatt én og måle hva som dukker opp der det ikke burde. De fleste publiserte resultater rapporterer single-path crosstalk, som er ... optimistisk.

Forskere ved IBM og andre steder har jobbet med design med ultra-lav-overtale, og presset utslettingsforhold til -60dB eller bedre i individuelle bytteceller. Hvorvidt disse tallene overlever skalering til store stoffer med reelle produksjonsvariasjoner er et annet spørsmål.

 

Termo-Optic: The Workhorse Nobody Loves

 

Termo-optiske MZI-brytere får ikke glamouren. De er trege sammenlignet med elektro-optikk. De brenner strøm sammenlignet med MEMS. Men de fungerer, de integreres rent med silisiumfotonikkplattformer, og de har blitt demonstrert i stor skala.

Et 32×32 termo-optisk bryterstoff ble pakket og karakterisert for flere år siden med noe sånt som 1560 elektriske I/O-porter håndtert gjennom keramisk BGA-ledning-. Det er mange ledninger. Den termiske styringen involverte CuW-substrater og termoelektriske kjølere. Ikke elegant, men funksjonell.

Strømforbruket kommer fra de resistive varmeovnene som trenger kontinuerlig strøm. Hver faseskifter kan trekke milliwatt. Multipliser med hundrevis eller tusenvis av elementer i et stort stoff og det termiske budsjettet blir en reell begrensning. Noen grupper har utforsket suspenderte bølgelederstrukturer for å forbedre termisk isolasjon-mindre varmelekkasje inn i underlaget betyr raskere respons og lavere effekt-men på bekostning av mekanisk skjørhet.

For applikasjoner som tåler mikrosekunders koblingstider og kan håndtere den termiske belastningen, er termo-optikk fortsatt det pragmatiske valget. Rekonfigurasjon av datasenter, bølgelengderuting, test-og-måling-ingen trenger nanosekundbytte for disse.

 

 

Det elektro-optiske løftet

 

Nanosekund-svitsjing låser opp brukstilfeller som tregere teknologier rett og slett ikke kan håndtere. Pakke-for-optisk pakkeveksling. Burst-modusoperasjon. Dynamisk båndbreddetildeling som sporer applikasjonsbehov i sanntid.

Silisium hjelper ikke her. Dens elektro-optiske effekter er for svake. Du trenger enten bærer-injeksjons-PIN-dioder (som fungerer, men legger til tap og har begrenset hastighet) eller materialer med ekte Pockels-koeffisienter.

Litiumniobat har blitt brukt-i flere tiår. De elektro-optiske koeffisientene er betydelige-r₃₃ rundt 31 pm/V. Kommersielle LiNbO₃-modulatorer fra Thorlabs og andre opererer til 40GHz eller mer. Problemet har alltid vært integrasjonstetthet. Bulk litiumniobat-enheter er centimeter-skala. Bølgelederbreddene er mikron{11}}skala i silisium; de er mye større i diffust LiNbO3.

Tynn-film LiNbO₃ på isolator endrer beregningen. Forskere demonstrerer nå Mach-Zehnder-modulatorer med båndbredder som overstiger 100GHz og en halv-bølgespenning under 2V. Fotavtrykkene krymper mot det silisiumfotonikk oppnår. Naturpapirer dukker opp med jevne mellomrom.

Integrasjon med resten av en fotonisk krets er fortsatt problemet. LiNbO₃ vokser ikke på silisium. Heterogen integrasjon innebærer binding, noe som øker kostnadene og kompleksiteten. Forsyningskjeden for tynn-film LiNbO₃-wafere er begynnende sammenlignet med silisiumfotonikk.

Likevel. Hvis du trenger fart, er det her fysikken peker.

 

Hva datasentre faktisk ønsker

 

Hyperscalerne har spesifikke krav som ikke alltid stemmer overens med det akademiske forskere finner interessant.

De vil ha en kostnad per port rundt $10. De ønsker innsettingstap under 10dB for kaskadede bryterarkitekturer. De vil ha rekonfigureringshastigheter raske nok til å spore trafikkmatriser som skifter uforutsigbart. De ønsker strømeffektivitet målt i picojoule per bit eller bedre. De vil ha pålitelighetstall som lar dem distribuere i stor skala uten at dedikert vedlikeholdspersonell er barnevakt for hver bryter.

MEMS-baserte optiske kretsbrytere fra selskaper som Polatis har penetrert noen datasenterapplikasjoner. Byttetidene-millisekunder-er trege, men for vedvarende "elefantstrømmer" som dominerer inter-klyngebåndbredde, er millisekunders rekonfigurering greit. Du prøver ikke å bytte pakke-for-pakke; du prøver å unngå O-E-O-konverteringskostnader for massedataflytting.

Drømmen om sub-mikrosekunders optisk pakkesvitsjing forblir stort sett-en drøm. Kontrollflyproblemet alene er skremmende. Uten optiske buffere (som praktisk talt ikke eksisterer), kan du ikke absorbere stridigheter slik elektroniske brytere gjør. Planleggingen må være perfekt. Synkronisering på tvers av potensielt tusenvis av servere må være tett. Noen forskningsgrupper har demonstrert 40-nanosekunders bytte-og kontrollsystemer, men produktisering er en annen sak.

 

Acousto-Optics: A Omour

 

Jeg bør nevne akusto-optiske brytere fordi de fortsetter å dukke opp i forskningssammenheng, og fordi fysikken er genuint interessant selv om applikasjonene forblir begrensede.

En akusto-optisk modulator bruker akustiske bølger-vanligvis akustiske overflatebølger som sendes ut av interdigitale transdusere-for å lage et periodisk brytningsindeksgitter i et materiale. Lyset diffrakterer av dette gitteret. Kontroller den akustiske bølgen, kontroller lyset.

Litiumniobat igjen: sterk piezoelektrisk kobling for effektiv akustisk generering, anstendige fotoelastiske koeffisienter for interaksjon med lys. Forskere har demonstrert AO-modulatorer med VπL-produkter (verdien for modulasjonseffektivitet) under 0,1 V·cm på tynne-filmplattformer.

Byttehastighetene er begrenset av akustisk forplantning-mikrosekunder, ikke nanosekunder. Applikasjonene har en tendens til RF-fotonikk, frekvensskifting og laser Q-switching i stedet for telekommunikasjonsruting. Men for fullstendighetens skyld finnes teknologien.

 

Integrasjonsspørsmålet

 

Her er det som stadig kommer opp i hver seriøs diskusjon om optisk svitsjing: hvordan passer det med alt annet?

En bryter i seg selv er ubrukelig. Du trenger transceivere, bølgelengdemultipleksere, forsterkere, monitorer, kontrollelektronikk. Jo flere av disse du kan integrere på en enkelt brikke eller i en enkelt pakke, jo bedre blir systemøkonomien.

Silisiumfotonikk har et forsprang. Støperier som GlobalFoundries, TSMC og imec tilbyr prosessdesignsett. Modulatorer, fotodetektorer, bølgelengdefiltre og passiv ruting eksisterer alle sammen på samme plattform. Å legge til MEMS-aktivering i denne stabelen-som flere forskningsgrupper nå gjør-kan muliggjøre brytere som integreres sømløst med resten av de fotoniske kretsene.

Litiumniobat tar en annen vei. Materialet kan være vert for elektro-optiske modulatorer, akusto-optiske enheter, ikke-lineære optiske elementer og bølgeledere med lavt-tap alt på ett substrat. Verktøykassen er uten tvil rikere enn silisium. Men produksjonsøkosystemet er mindre modent.

III-V-halvledere (InP, GaAs) muliggjør optiske halvlederforsterkere og lasere som silisium ikke kan matche. Heterogen integrasjon-som binder forskjellige materialer sammen-kan kombinere det beste av hvert. Eller det kan bare kombinere fabrikasjonsutfordringene til hver.

Ingen har funnet ut vinnerformelen ennå.

 

Den ærlige vurderingen

 

Optisk svitsj er ekte teknologi som brukes i ekte nettverk. Det er også teknologi som har vært «fem år unna» fra å transformere alt i minst tjue år.

Fysikken fungerer. Ingeniøren går fremover. Økonomien er i bedring. For visse applikasjoner har -beskyttelsessvitsjing, bølgelengdekryss-forbindelser, rekonfigurerbar add-dråpemultipleksing, testautomatisering-optiske svitsjer etablert seg som den riktige løsningen.

For den større visjonen om at optisk pakkesvitsj eliminerer elektroniske rutere helt? Utfordringene er fortsatt formidable. Kontrollplanets kompleksitet. Mangel på optisk buffering. Produksjonskostnader i stor skala. Standardisering på tvers av leverandører.

Fremgangen fortsetter. Forskningsartikler vises ukentlig. Startups blir finansiert. Store selskaper kjøper opp små. Det underliggende behovet for å-flytte mer data med mindre energi-forsvinner ikke.

Kanskje denne gangen vil de neste fem årene virkelig bli annerledes.